校園智能照明節約系統的設計與實現

趙 鵬

(1.江蘇第二師范學院物理與信息工程學院，江蘇南京 210000；2.江蘇省基礎教育大數據應用工程研究中心，江蘇南京 210000)

0 前言

節電是我國長遠發展的一項重大戰略政策，造福于人民，造福于國家。節能，即能源的節電，可以減少整個國家的能源消耗，減少交通和能源的短缺，同時也可以減少國家對電力系統的投資，提高能源利用率，降低環境污染，符合綠色和可持續發展的趨勢，有利于降低電力系統的負載能力，緩解電力緊缺的狀況，對降低電網負荷容量、緩解供電緊張局面具有重要意義。因此，節約用電在資源緊缺的今天體現得尤為重要[1]。2022年，國務院辦公廳印發了一份關于“節約型”“環保”和“高經濟效益”的新型工業發展之路，將節約資源和減少能耗放在第一位，緊抓“不浪費、不合理”的原則，以提高資源的綜合利用效率。

1 校園智能照明節約系統設計的需求現狀

根據一所大學的實際調研，學校教學樓內安裝了1000 盞40 W 的雙管式熒光燈，每小時的總耗電為80度，按照0.5 元/千瓦時的標準，學校每小時的耗電成本為40元。一所學校一天的電費就高達640元，一所學校一般有8棟這樣的教學樓，也就是說，僅教學樓的一天電費就要高達5 120 元。從另一個角度來看，如果在教室里每天節省2個小時的無用電量，則每天可以節省640元；按照這樣簡單計算，學校一年可以節省172 800 元的電費。這是一種純粹的電力消耗，目前全國各大學總共有3013 所學校（教育部公布，截至2022年5月31日），因此，每年的電費浪費就高達520 646 400元，也就是說，全國高校在教室照明用電上至少浪費5億元。

目前，智能節能照明的方法有兩種：一是采用高效的電光源，二是采用更加高效的智能照明。而要保證照明的品質和降低能耗，最基本的方法就是提高照明設備的效率，也就是增加燈源和燈泡的亮度，在現有的照明燈具基礎上，改進和優化照明控制，以達到節能的目標[2]。

教育部建議各學校建立節約型校園，為回應教育部的號召，不少大學都采取了節能措施。然而，一些學校對能源的充分利用還沒有進行深入研究，還沒有制定出一套行之有效的節能措施，因此結果并不顯著。根據調查，學生們發現，如果只是使用電燈的話，并不會造成很大損失，但是由于教室里的照明設備數量太多，再加上燈光的持續時間比較長，所以教室里的照明設備所需要的電能占據了40%以上的電力，并且還在持續的增長之中。為了節省用電，降低校園用電，每個人都要有意識地去參與。為了實現節約能源，我們還應從其他方面著手，對大學校園內的智能照明控制系統進行研究和開發。本系統的開發和設計是為了適應現代電子技術的快速發展，采用多種新技術，解決了校園供電不足，實現了遠程控制。而且，它的研究和設計也符合了現代電子技術的發展趨勢，為以后的研究打下了堅實的基礎，并在未來的工作中得到了進一步的發展[3]。

2 校園智能照明節約系統設計方案

為了實時統計進入教室內的人數，選用了兩個紅外對管進行檢測，紅外對管可以檢測是否有人進入教室，同時確定進入教室的人數。為了方便統計人數，設計了一個最大計數99的計數器，統計的結果會同步顯示在LCD屏上。為了更加人性化，屏幕上還設計了顯示實時日期和時間[4]。

使用四個LED燈作為模擬教室內的燈光所在，并根據教室內的人數自動開啟，教室內沒有人時LED燈不亮，教室內人數少于十人點亮一盞燈，如果教室內的人數處于十到二十之間，第二盞燈就會打開，教室內人數大于二十人少于三十人時會打開第四盞燈，超過三十人時，所有的燈就都會被點亮。

系統設計了兩種模式分別是：自動模式和手動模式。可以切換模式，切換方式通過按下切換按鍵切換，并且可以指示當前所在模式。

當處于自動模式時，可以設置一個時間段，當在所設置的時間段內，并且教室內有人的時候，光照強度不滿足需要的時候會主動打開燈光，燈光點亮的數量會依據教室內人數而定，不在所設置的時間段內或教室沒有人的情況下，關閉所有燈光。切換到手動模式時，可以通過手動開關控制燈光的亮滅，人數統計功能依然工作。

根據教室內的光照需求使用光敏電阻檢測教室的光照強度。選用單片微型計算機STC89C52作為該照明系統的控制裝置核心，同時外加多個外圍電路組成，其中有5個主要電路：環境光采集電路：主要采用光明電阻進行設計；時鐘電路：采用DS1302時鐘芯片設計；熱釋紅外傳感電路：主要采用紅外對管進行設計；LCD數碼管顯示電路：采用LCD1602進行設計；按鍵電路，如圖1所示。

圖1 總體設計思路

3 校園智能照明節約系統硬件設計

本系統由STM32F103c8t6 芯片、照明采集裝置、紅外線感應器、顯示器、燈、鍵等組成。利用最小的計算機進行數據采集、處理、顯示；照明采集設備根據教室內的光線強度來確定光照條件；紅外線傳感器通過紅外線來檢測教室內的人數，從而形成開、關的條件；顯示模塊可以完成工作方式、燈光亮度、教室人數等功能；按鍵式電路，可進行手動控制。

單片機芯片采用STM32F103c8t6 芯片，它有48根針，40根針在核心板上。而晶片管腳48個，晶片管腳40 個，晶體管的主要功能是輸出管腳VCC、GND、控制管腳PAX、PBX、PCX等，另外，在按鍵電池的正電極上，還設有一個VBAT 引腳，用以在系統RTC 斷電的條件下，使其能夠繼續工作。還有其他引腳需要連接相關運行電路，非可編程引腳，因此也不會從核心板上引出來。

STM32F103C8T6 的總體結構由ARM 的Cortex-M3、ST公司的總線矩陣、DMA(DMA)、AHB(AHB)、APB1、APB2(APB2)。Tortex-M3拋棄了普林斯頓（普林斯頓）馮.諾依曼結構，它使用了哈佛體系結構，將指令存儲器與數據存儲器分離，從而使Cortex-M3 具有32 比特的內部數據路徑，32 比特寄存器和32 比特存儲器接口，在讀指令和數據后，MCU 的運算速度大大提高。

設計系統硬件時所用工具為Altium Designer 20，它的優點是功能齊全、專業的統一設計體系、高效的無壓力環境、原生3D PCB編輯器。

4 系統環境搭建與軟件設計

4.1 Keil5軟件開發環境的配置

Keil 相比IAR 與ADS 最大的不同，也可以說是最大的特點，就是內置了豐富的樣例程序，不需要了解系統是如何啟動的，只需要在原來的基礎上改一下，加入自己的代碼就可以實現想要的功能。

環境搭建流程：芯片選擇，在Keil5軟件程序中打開目標選項，在Device一欄中選擇STM32F103C8xu選項，然后OK確認，點擊構建選項進行編譯后出現工程結果錯誤。下載器型號選擇，在目標選項一欄中，選擇Debug一項，然后在Use一欄中選擇ST-Link Debugger選項。下載器識別，下載器型號選擇完畢后，點擊Settings1，能夠看到在SWDIO 一欄中出現序列號，則下載器識別成功。芯片容量選擇，下載器識別成功后，選擇Flash Download一欄。

4.2 軟件程序整體實現過程

教室校園智能照明節約系統程序開始后，通過按鍵識別進行模式的更改調試以及系統時間、定時時間的設定。感光模式下，程序通過光敏電阻識別環境下的光照強度，分別在0～<1000、1000～<2000、2000～<3000 光照強度下進行LED 燈數量的增減，表示教室內燈光變化的過程。紅外模式下，程序通過紅外對管對進出教室人數進行測定，分別在教室內有人、教室內人數增加2人、教室內人數超過5人3種情況下進行LED 燈光數量的增減來調節教室內燈光的照度。定時模式下，程序首先通過按鍵識別對系統時間和定時時間進行調節，然后程序會根據系統時間與光照強度來調節LED 燈光亮起的數量。系統運行界面如圖2所示。

圖2 系統界面圖

4.3 系統感光模式的實現

照度，即通過單位面積的光通量，反映了一個對象的表面在多大程度上被照明。每隔一段時間，通過一個區域的可見光就會被稱為光通量，而光通量的大小就是lm，一個發光體的光通量越大，所發出的光就會越強烈。

系統模擬教室燈光，當光敏電阻接收到的光照強度達到3000 以上時，LED 燈不會亮起；當光照強度達到2000～<3000 時，燈組中的LED 小燈會亮起兩個；當光照強度達到1000~<2000 時，LED 燈會亮起4 個；當光照強度為0～<1000 時，LED 全部亮起從而模仿教室燈光，根據自然環境光照強度引起的燈光亮度變化。

4.4 系統紅外模式的實現

系統通過按鍵識別切換到紅外模式，當紅外對管以自下而上的方向一次出發時，系統程序判斷教室內人數加1，LED小燈亮起；當教室人數達到3～4人時，燈組中的LED燈亮起數量增加為4個；當教室人數為5 人以上時，燈組中的LED 小燈全部亮起。當以自上而下的方向出發紅外對管時，程序判定教室內人數減1，當教室內人數分別較少到3～4 人，1～2 人和無人的時候燈光依次會根據人數發生變化。

4.5 系統定時模式的實現

在定時模式下，系統通過晶振時間電路實現系統時間的控制和定時。首先通過按鍵，對時間系統進行調制，再根據系統時間設定合適的定時區間，當系統時間未達到定時開始時間時，無論系統環境光照強度為多少，都不會觸發LED 燈亮起；當系統時間達到定時開始時間并且在定時區間內，系統會根據光敏電阻測出的光照強度亮起LED燈。

5 系統調試

初始狀態系統人數設置為0，光強通過p2.0 口來進行控制，每當按下開關按鈕時，就是模擬黑暗環境，電路板上的黑暗指示燈就會點亮?！皟取薄巴狻眱蓚€按鈕則是用來模擬有人進出教室時的情況，同時顯示屏會對應顯示教室內的人數。當教室內有人且處于黑暗情況下教室內的燈光就會打開，圖3是系統仿真圖。

圖3 系統仿真圖

當系統初始化完成處在自動模式下，自動指示燈亮，通過按鍵模擬熱釋電紅外檢測模塊，模擬當處在所設置的時間內并且教室光線黑暗，通過按下黑暗按鈕模擬黑暗情況。教室內有11人時，照明系統在黑暗情況下自動點亮兩盞照明燈。按下切換按鈕時，系統切換到手動模式，手動指示燈亮。通過手動按下開關，打開照明燈，每按1下手動開關即打開一盞燈，按2 下則打開兩盞，3 下即打開三盞燈，4 下就打開所有照明燈，再次按下即是關閉照明燈。此時人數統計依然工作[5]。

在標注了內外的紅外對管處，用手指從外往內滑動，模擬有人進入教室的情況，先由外發射管發出輻射由外接收管接收，再經過內發射管和內接收管，此時人數加1，在液晶顯示屏上顯示。當處于黑暗情況并處于所設定好的開啟時間內，根據教室內的人數12人自動開啟兩盞照明燈。將打火機靠近DS18B20 溫度傳感器，由于火焰的高溫，溫度發生變化，DS18B20將測量到的溫度傳送給單片機并處理顯示在液晶顯示屏上，可以看到溫度由原來的30℃變為57℃。

6 結論

系統采用Altium Designer 對系統核心電路板中的各個重要模塊進行設計，采用模塊化編程設計，采用Keil開發軟件STM32F1xx支持包對感光模式模塊、紅外模式模塊、定時模式模塊進行代碼編程，通過智能教室照明，幫助智慧教室轉型，實施更多的教室智能化。